镁基储氢材料放氢性能中限域 - 催化协同效应的深度剖析与机理阐释.docxVIP

镁基储氢材料放氢性能中限域-催化协同效应的深度剖析与机理阐释

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展，能源需求持续增长，传统化石能源的日益枯竭以及其在使用过程中带来的环境污染问题，如温室气体排放导致的全球气候变暖、大气污染引发的各种健康问题等，促使世界各国积极寻求可持续的清洁能源替代方案。氢能，作为一种清洁、高效、可持续的能源载体，具有高能量密度和零排放等显著优势，在燃烧过程中仅产生水，不产生任何污染物，被视为未来能源转型的重要方向之一。国际能源署（IEA）发布的报告指出，到2050年，氢能在全球能源结构中的占比有望达到20%以上，成为实现碳中和目标的关键支撑。

然而，要实现氢能的广泛应用，面临着诸多挑战，其中储氢技术是核心难题之一。氢气在常温常压下为气态，体积能量密度低，储存和运输困难，成本高昂。目前常见的储氢方式包括高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢等。高压气态储氢虽然技术相对成熟，但需要耐压容器，存在安全隐患，且成本较高；低温液态储氢要求极低的温度，能耗大，储存和运输设备复杂。固态储氢则具有体积储氢密度高、安全性好等优点，被认为是最具潜力的储氢方式之一。

镁基储氢材料作为固态储氢材料的重要研究方向，具有储氢容量高（理论储氢量可达7.6wt%）、资源丰富、质量轻、成本低和对环境污染小等诸多优势，被视为最有希望应用于燃料电池、燃氢汽车等领域的储氢合金材料。但它也存在一些问题，通常需要在300℃左右才能有效地吸放氢，放氢温度过高，难以匹配燃料电池工作模块温度（一般为80℃左右）；而且吸放氢速度较慢，尤其是在较低温度下，动力学性能差，这严重影响了其实际应用。解决这些问题对于推动氢能的大规模应用和能源转型具有重要意义。

限域效应和催化效应是改善镁基储氢材料性能的两种重要手段。限域效应通过将镁基材料限制在纳米尺度的空间内，如多孔碳材料、金属有机框架等，可有效减小颗粒尺寸，增加比表面积，提高氢的扩散速率，从而改善储氢动力学性能；催化效应则是通过添加过渡族金属、金属氧化物和金属卤化物等催化剂，降低氢的吸附、离解能垒，为氢的扩散提供通道，起到“氢泵”的作用，进而提高镁基储氢材料的吸放氢性能。然而，目前对于限域-催化协同效应的研究还相对较少，深入探究二者的协同作用机制，对于进一步提升镁基储氢材料的放氢性能，突破储氢技术瓶颈，实现氢能的高效利用，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2镁基储氢材料概述

镁基储氢材料主要包括单质镁储氢材料、Mg-Ni基储氢材料、大容量镁基储氢材料、纳米镁基储氢合金以及镁基储氢复合材料等。单质镁储氢材料以其简单的化学组成，展现出较高的理论储氢容量，是镁基储氢材料研究的基础。Mg-Ni基储氢材料则通过合金化的方式，在一定程度上改善了单质镁的储氢性能，其中Mg2Ni合金是研究较为广泛的体系之一，其具有相对较好的储氢稳定性和一定的吸放氢动力学性能。大容量镁基储氢材料致力于在保证其他性能的前提下，进一步提高储氢容量，以满足更高的应用需求。纳米镁基储氢合金利用纳米材料的特殊性质，如小尺寸效应、表面效应等，显著提升了材料的储氢动力学性能，使吸放氢过程更加高效。镁基储氢复合材料则是将镁基材料与其他材料复合，如与碳材料、金属氧化物等复合，通过不同材料之间的协同作用，实现储氢性能的优化。

镁基储氢材料在储氢领域具有诸多显著优势。从资源角度来看，镁在地球上储量丰富，其主要来源于菱镁矿、含镁白云岩、盐湖区镁盐以及海水等。我国菱镁矿储量仅次于俄罗斯，位居全球第二，2022年我国菱镁矿产量1700万吨，占全球总产量63%，进口依赖度低，这为镁基储氢材料的大规模应用提供了坚实的资源保障。在储氢性能方面，MgH2的储氢重量密度可达7.6%，体积储氢密度可达105kg/m3，相较于其他一些金属储氢材料，如AB5型合金（质量储氢密度大多小于2%），具有明显的优势，能够在相对较小的体积和重量下储存更多的氢气，有利于提高储氢设备的效率和降低成本。而且镁基储氢材料在储氢和放氢过程中，反应产物主要为镁和氢气，不会产生有害物质，对环境友好，符合可持续发展的要求。在安全性上，与高压气态储氢和低温液态储氢相比，镁基储氢材料在常温常压下即可实现氢气的储存和释放，大大降低了因高压、低温等条件带来的安全隐患。

然而，镁基储氢材料在实际应用中仍面临一些亟待解决的问题。其放氢温度较高，一般需要在300℃左右才能有效地放氢，这主要是由于Mg-H键能较大，使得氢化物的分解需要较高的能量。过高的放氢温度不仅增加了能源消耗，还对设备的耐高温性能提出了更高要求，限制了其在一些对温度敏感的领域的应用，例如无法直接与工作温度较低的燃料电池系统相匹配。同时，镁基储氢材料的动力学性能较差，在较